LED性能之高智能化的加速老化和壽命實驗解析
LED的壽命仍是一個值得長期關注的特點,LED的理論壽命很長,像傳統光源采用2h45min開、15min關的循環測試到壽命終了,對LED產品的測量顯然不現實。因此有必要對LED產品采用加速老化壽命試驗[1],同時,也應當測試LED的熱學特性、環境耐候性、電磁兼容抗擾度等與壽命和可靠性密切相關的性能,以綜合分析LED的壽命。
1、LED可靠性和壽命相關的關鍵指標
LED產品制造中的每一個元件和環節都會對其可靠性和壽命產生影響,例如,LED結和基板的虛焊、LED熒光粉的熱猝滅和退化、封裝材料的退化以及驅動器的失效等,最后退化的可能才是半導體(PN結)本身。這些因素導致LED產品失效(退化)的方式也不盡相同,一般可分為緩變退化(gradualdegradation)和瞬變退化(abrupt degradation)。
LED的緩變退化(失效)指標主要包括:
流明維持率下降,即光衰,一般以初始光通量為100%,當LED產品的流明維持率下降到初始值的70%或50%時,認為LED失效,流明維持壽命相應記為L50或L70;
顏色漂移,受到熒光粉或封裝材料的變化,LED背光的顏色會在壽命期間內發生漂移,該漂移應在指定范圍以內(如△u’v’≤0.007),超過范圍則視為LED失效;
電性能變化,電性能變化能更為直觀地監測;
開關次數,開關可能會對驅動等電路產生一定影響;
熱阻變化和其它熱特性參數曲線,熱特性與壽命息息相關,對熱特性的測量和分析有助于找出LED可靠性的薄弱環節;
LED的瞬變退化(失效)即LED的光輸出突然降為0,其主要退化包括:抗電磁干擾能力:靜電放電、雷擊浪涌、快速群脈沖、周波跌落;高低溫沖擊耐受性特性;鹽霧、耐濕、振動等。
2、相關標準要求
針對LED的主要緩變退化,國際上已有相關標準相繼發布,以是北美體系和國際照明委員會(IEC)體系最為典型,我國標準則基本融合了這兩個體系。
ENERGY STAR® Program Requirements Product Specification Eligibility Criteria;
IES LM-80-08 Approved Method for Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources;
IES TM-21-11 Projecting Long Term Lumen Maintenance of LED Packages;
IEC/PAS 62717 LED modules for general lighting – Performance requirements;
EC/PAS 62722-2-1 Luminaire Performance –Part 2-1: Particular requirements for LED luminaires;
我國的GB/T 24824、GB/T24823、QB/T4057等;
我國的GB/T XXXX LED加速壽命試驗方法(尚未發布) 。
3、北美體系和IEC系統對LED壽命和壽命試驗方法的要求
北美體系和IEC系統在對LED產品的壽命要求和試驗方法方面都有所區別,但針對于LED燈具壽命的評估,二者都提出直接老化測試燈具,或根據封裝LED、LED模塊等的老化試驗進行推算。
3.1 北美體系
如表1所示,
表1:美國“Energy Star(能源之星)”對LED燈具壽命的要求
Energy Star將對LED燈具壽命的試驗方法分為選項1和選項2,其中,選項1是通過測試光源推導燈具的壽命;而選項2僅適用于光源和燈具不可分的一體化燈具,直接測試燈具的光通維持率。選項1,L70(6k)的表示是指,利用6000h(6K)的老化測試推導出的流明維持壽命L70的時間。
現對LM-80 和TM-21兩個標準的要求總結如下:
適用范圍:LED封裝、模塊、陣列等;
考察對象:只考察光通維持壽命,即緩變失效因素
老化溫度:指定點殼溫(Ts)為55℃,85℃和第三個指定溫度,三個溫度覆蓋燈具中LED光源的Ts溫度。
老化時間:6000h,推薦10000h;
樣本數量要求及其與外推壽命時間的關系:20個以上樣品,外推壽命最高為老化時間的6倍;10-19個,外推壽命最高為老化時間的5.5倍;
光色參數測試時間:至少每1000h測量一次;
對突然失效的處理:觀察記錄,調查確認突然失效是因為光源本身原因;
記錄顏色衰變:有;
數據記錄:每個LED的光通維持、中間值、標準偏差、最小和最大光通維持率值;
曲線擬合:1. 以初始值為1,歸一化光通維持率;
2. 在每個測量點,求得測試樣品歸一值的平均值;
3. 數據要求:不采用小于1000h內的測量數據;老化6000h-10000h,至少用5000h的數據;大于10000h,用最后50%的數據。
外推計算:推薦指數模型。
3.2 IEC體系
IEC體系中用Lx Fy 來表征LED產品的壽命,其中,Lx表示光通量維持率,如L70;Fy表示失效率,包括緩變失效率By和瞬變失效率Cy。例如:L70F50為30000h是指:50%的模塊在30000h后的光通維持率在70%以下。
對于普通照明用的白光LED產品,IEC并不強調對聲稱的壽命進行驗證,而是對限定時間的流明維持率進行分級。
IEC 中對LED模塊和燈具的光通維持率測試如表2所示。
表2:IEC體系對LED模塊和燈具的光通維持率測試要求
特別注意的是IEC體系中,LED模塊或燈具的瞬變失效和緩變失效是要在最終的Fy指標上體現出來的。對于一組LED模塊,按試驗樣品20個計算,若聲稱F50,則至少n-2個模塊通過;若聲稱F10,則n個模塊全部通過試驗。
老化試驗中的溫度也特別值得關注。LED模塊老化應在外殼指定點為Tp溫度下老化,相當于北美體系中的Ts;而燈具則在環境溫度Tq下考察其性能,并且應確保在聲稱的Tq max下, 模塊溫度Tp不會超過。
4、加速老化和壽命測試系統
對于加速老化和壽命的測試,無論采用北美體系或IEC體系,其硬件測量裝置基本相同,一般主要包括恒溫試驗箱、多路電源、多路溫度巡檢儀等。目前國內外對于LED加速老化和壽命測試系統的研制也十分關注。
由于LED光源或燈具的光色性能需在室溫(25℃±1℃)條件下測量,因此國外典型設備一般需要和積分球光譜儀系統結合起來,在LED老化到一定時間后冷卻恒溫箱內溫度,并將被測LED取出到積分球系統中進行光色測量。該操作過程很繁瑣,若測試間隔時間較短,則整個老化測試十分費時費力,而當測試間隔較長是,則不能及時反映LED光色參數的變化過程,被測LED的失效時間的記錄誤差較大。
圖1:我國的LED加速老化和壽命測試系統照片
在我國863計劃課題的支持下,杭州遠方光電通過自主創新,開發了即加速老化和光色測試于一體的測試系統,如圖1所示為系統照片。系統具備90個功位,可分三溫區同時老化測試90個被測LED(30個×3),其結構主要特點是在恒溫箱中設置光信號取樣裝置,并與光色測量設備相連,被測LED的光色參數可在箱內直接而不需要取出測量,可全自動實現老化測試以及數據分析。
使得原本漫長而繁復的LED老化、壽命試驗和溫度試驗變得十分的簡單與輕松,數據更為精確可靠。設備含有多項遠方公司獨有的專利技術,整個設備設計整體性好,美觀大方,無論是使用者還是評估者,無論是內在還是外觀,都會讓人信服。
利用上述測量裝置,還可在不同的環境溫度下(高溫狀態),測量被測LED的光色度,獲得LED光度-環境溫度曲線(溫度特性試驗)。圖2為典型的LED相對光通量隨環境溫度的變化曲線,滿足IES LM-82-11[2]以及關于CFL[3]的國內外標準的要求。
圖2 典型LED光通量隨環境溫度變化曲線
影響LED產品壽命和可靠性的因素有很多,相關的測試也較為復雜,其中最重要的是光通維持率測試,雖然已出臺的國際標準要求不盡相同,但基本的試驗方法和裝置要求基本相同。在國家863課題的支持下,我國已自主開發了具有高智能化的加速老化和壽命測試系統,使我國工業界能夠進行操作簡便、高精度、低成本的光通維持壽命檢測,同時該系統還可測試光色參數隨環境溫度變化的曲線,滿足最新國際標準要求即發展趨勢。
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